Разбивка камеры ЖРД на технологические узлы

Билет №1

1. Принцип создания реактивной силы

2. Особенности условий работ и конструкции камеры ЖРД, и прочностного расчета ЖРД.

 

Принцип создания реактивной силы

Возьмем замкнутый сосуд и создадим в нем избыточное давление Рк. На сосуд будет также действовать сила атмосферного давления Рн окружающей среды, рис. 1.

Если силы давления Рк и Рн уравновешены жесткостью стенок сосуда, то он останется в покое. Выполним в сосуде отверстие, рис.2, при этом равновесие сил Рк и Рн нарушится и сосуд придет в движение (трение между наружной поверхностью в и окружающей средой не учитывается). В результате этого возникнет реактивная сила R, величина которой пропорциональна скорости и массе рабочего тела истекающего потока.

 

Потенциальная энергия избыточного давления будет преобразована в кинетическую энергию (Ек) истекающей струи. Реактивная сила R направлена в сторону, противоположную истечению реактивной струи.

На поверхность сосуда также действует сила, зависящая от величины давлений, воздействующих на его внутреннюю и наружную поверхности, т.е.

Р' = Рк - Рн.

Тяга двигателя является результирующей реактивной силы R и сил давлений Р', воздействующих на поверхность сосуда без учета сил внешнего аэродинамического сопротивления

Для создания реактивной силы необходимо наличие 3х элементов:

- первичного источника энергии;

- рабочего тела;

- собственно двигателя, в котором происходят преобразования.

Реактивный двигатель - устройство, обеспечивающее перемещение летательного аппарата ЛА в пространстве, путем преобразования первичного источника энергии в кинетическую энергию реактивной струи.

Различают реактивные двигатели прямой и непрямой реакции.

Для двигателя непрямой реакции характерно наличие движителя-устройства, обеспечивающего реактивную силу, например, винт в турбовинтовом двигателе.

Для создания реактивной силы движитель и двигатель используют разные рабочие тела. В качестве рабочего тела могут использоваться:

- жидкая или газообразная окружающая среда;

- топливо;

- окружающая среда и топливо.

Особенности условий работы и конструкции камеры ЖРД

Камера ЖРД—важнейший агрегат ЖРД, работающий в весьма труд­ных условиях. Сгорание топлива происходит в малом объеме при высоких значениях температуры и давления. С целью повышения скорости сгорания по­ступающие жидкие компоненты должны быть очень мелко распылены и рав­номерно перемешаны. Распыление осуществляется форсуночной головкой (ФГ), от хорошей работы которой зависит эффективность работы камеры ЖРД. Смешивание газообразных компонентов осуществляется смесительной голов­кой.

Внутренние стенки камеры сгорания омываются газами, температура которых значительно превышает температуру плавления материала стенки. Поэтому стенки должны интенсивно охлаждаться. Кроме того, стенки камеры ЖРД испытывают высокое давление газов. Так как вес камеры сгорания дол­жен быть минимальным, ее выполняют из высокопрочных тонколистовых ма­териалов.

Камера ЖРД, рис.28, состоит из следующих основных, технологиче­ских узлов: форсуночной или смесительной головки (СГ); камеры сгорания или средней части; охлаждаемой сопловой части; неохлаждаемой сопловой части — насадка.

Рис 30

Конструкция средней части камеры ЖРД:

1 и 2 — внутренняя и внешняя стенки камеры ЖРД, соответственно;

Билет №2

1. Классификация ЖРД

2. Требования, предъявляемые к камере ЖРД, материалы (6.4), формы (6.5).

 

Классификация ракетных двигателей (РД)

На представлена классификация ракетных двигателей.

Если в качестве первичного источника энергии используется хими­ческая реакция, то такой двигатель называется химическим.

Термическим РД называется двигатель, у которого энергия первич­ного источника преобразуется в тепло, а затем в кинетическую энергию ис­текающей струи. Химические РД являются термическими.

Рис.31

Формы камер сгорания:

Рис. 32

Двигатели с цилиндрической камерой сгорания: а-ОРМ-65 (1936 г.); б—РД-107 (1954—1957 гг.); 1 - внутренняя оболочка камеры; 2 - корпус; 3 - вкладыш; 4 - штуцер подачи окисли­теля; 5—форсунка окислителя; 6—головка; 7—форсунка горючего, 8—нить накаливания: 9— воспламеняющий состав; 10 — зажигательная шашка

К основным недостаткам шарообразных камер сгорания относятся:

1. сложность конструкции и технологии изготовления, что увеличивает ее стоимость;

2. сравнительно больший диаметр камеры сгорания, что может потребовать увеличения миделя ракеты.

Шарообразные камеры сгорания обычно имеют приварную ша­рообразную головку. Эту форму камеры сгорания имеют двигатели большой тяги со значительной продолжительностью работы, когда объем камеры сгора­ния настолько велик, что становится целесообразным предкамерный распыл компонентов, а также когда выгоды от уменьшения ее веса и повышения эко­номичности работы за счет формы преобладают над увеличением стоимости ее изготовления.

Примером ЖРД с шарообразными камерами сгорания может служить немецкий спирто-кислородный двигатель А-4, рис.33.

У конических камер сгорания по существу вся камера является вход­ной частью сопла. Они имеют пониженные значения Iуд по сравнению с дру­гими типами камер и вследствие этого не применяются, представляя только исторический интерес.

Основной причиной снижения Iуд являются большие скорости продук­тов сгорания в камере. Вследствие этого превращение тепловой энергии в ра­боту расширения является менее полным, т.е. имеют место большие потери на тепловое сопротивление. Кроме того, в конических камерах зона распыливания и испарения занимает значительную часть её полного объёма; зона сгорания при этом уменьшается, что приводит к худшему сгоранию или требует увели­чения полного объёма камеры.

Применение кольцевых камер сгорания в ЖРД определено исполь­зованием сопел с центральным телом. Различают цилиндрические и торовые кольцевые камеры сгорания.

Кольцевые камеры круглого сечения (торовые) целесообразно приме­нять при разгоне газа в сопле с центральным телом до больших чисел М.

По сравнению с другими типами кольцевые камеры сгорания имеют ряд недостатков. Поверхность их значительно больше, что приводит к увеличе­нию веса и затрудняет охлаждение камеры, особенно, «юбки» сопла. Кольцевая камера сгорания сложна в изготовлении, а для обеспечения её жесткости необ­ходимы либо специальные наружные рёбра жесткости, либо охлаждаемые стойки, связывающие наружный контур камеры с внутренним.

Достоинствами кольцевой камеры сгорания являются:

1. возможность регулирования модуля и направления вектора тяги, а также уменьшение вероятности возникновения вибрационного горения при раз­бивке камеры по окружности на ряд отдельных секций;
2. пониженные продольные геометрические размеры, по сравнению с дру­гими типами камер;
3. возможность установки в полости центрального тела ТНА или других аг­регатов.

 

Билет №3

1. Тяга в пустоте

2. Головки камер ЖРД и их конструкция

 

Тяга ракетного двигателя в пустоте.

Вывод формулы тяги ракетного двигателя базируется на 3-м законе Ньютона, при условии, что поток рабочего тела по тракту рассматривается ста­ционарным.

Стационарным называется движение, при котором расход газа во всех поперечных сечениях канала одинаков и не зависит от времени, а параметры газа в указанных сечениях, включая входное, постоянны и также не являются функцией времени.

Тяга реактивного двигателя является равнодействующей сил давления газов на внутренние и наружные поверхности камеры двигателя. Она возникает в результате преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию, истекающих из камеры, продуктов сгорания.

Тяга в пустоте - =0, рис.5

Рис.5

Определим результирующую силу , воздействующую на стенки камеры двигателя

где Fa - площадь среза сопла, м²:

Воспользуемся теоремой импульсов - импульс силы равен измене­нию количества движения:

где: - масса израсходованного топлива, тн - начальная масса

двигательной установки, тк - конечная масса двигательной установки; - время работы двигательной установки; Wc, Wa - скорости газового потока на входе в сопло и на его срезе, со­ответственно, так как Wa >> Wс.

где т - массовый секундный расход, кг/с;

где: - тяга ракетного двигателя в пустоте, Н;

Wэ.п. - эффективная скорость истечения в пустоте, м/с;

Головки камер ЖРД и их конструкция

 

Головка камеры двигателя является главным узлом, обеспечивающим правильную организацию смесеобразования в камере сгорания. Конструкция головки должна обеспечить устойчивое горение в камере, а также способствовать плавному выходу двигателя на режим и уменьшению импульса последействия. При проектировании головки должно быть осуществлено необходимое размещение и надежное крепление форсунок, наиболее удобный под­вод компонентов к форсункам и технологически возможно более простое со­единение головки с камерой сгорания. На головке располагаются устройства для ввода в камеру топлива. Жидкое топливо подается в камеру форсунками, а в случае применения схемы с дожиганием газа, поступающего из ТНА, или при подаче топлива (например, перекиси водорода) в газообразном состоянии - через специальные окна, выполненные в головке. При двухкомпонентном жидком топливе головка имеет днe полости. В двигателях с регулированием тяги путем отключения групп форсунок эти полости могут иметь дополнительные перегородки, позволяющие отдельно подводить топливо к различным группам форсунок.

На головке размещаются также узлы крепления двигателя, клапаны, служащие для запуска, отсечки и регулирования тяги двигателя, а в ряде случа­ев и антивибрационные устройства, и воспламенители.

Основным требованием к конструкции головки является обеспечение заданных условий смесеобразования и защиты стенок камеры от чрезмерного нагрева и прогара. Эти задачи, как указывалось, решаются рациональным раз­мещением форсунок на головке, выбором производительности отдельных групп форсунок и их характеристик, а также надлежащим охлаждением двига­теля. Одновременно конструкция головки должна обладать достаточной жест­костью несмотря на ослабление ее стенок большим количеством отверстий под форсунки, обеспечивать возможность подвода компонентов с минимальным гидравлическим сопротивлением и иметь надежную защиту от перегрева горя­чими газами.

Для наилучшего смешения компонентов на головке желательно раз­местить максимально возможное число форсунок. Минимальное расстояние между форсунками определяется условиями прочности стенки головки, усло­виями размещения в теле головки каналов для подвода компонентов, если го­ловка не имеет общей полости компонента, и, наконец, размерами форсунки. При центробежных форсунках определяющим фактором является размер фор­сунки, так как жесткость головки может быть обеспечена включением корпуса форсунки в силовую схему, а подвод компонентов в большинстве случаев осу­ществляется из общей полости. При струйных форсунках, имеющих относи­тельно малые размеры, минимальный шаг определяется при данном угле распыла расстоянием от поверхности головки зоны соударения струй или условиями подвода компонента. В выполненных конструкциях при центробежных форсунках шаг составляет 6-30 мм, а при струйных форсунках минимальный шаг может быть доведен до 3 - 4 мм.

Тот или иной способ размещения форсунок выбирается либо на осно­вании имеющегося опыта смешения компонентов топлива данного состава, либо из чисто конструктивных соображений, включающих подвод топлива и жесткость головки.

Основными конструктивными элементами головки являются форсу­ночное днище и наружная стенка. В свою очередь форсуночное днище чаще бывает двухстенным и реже - одностенным. При двухстенном форсуночном днище головка в целом является трехстенной. Тогда стенку форсуночного днища, обращенную к камере сгорания, называют внутренней или огневой, а вторую средней.

Одним из основных требований, предъявляемых к конструкции голов­ки, является обеспечение достаточной ее жесткости, а также сохранения герметичности ее элементов при возможных деформациях.

Головки камер ЖРД подразделяются на плоские, шатровые, сфериче­ские, цилиндрические и вихревые, рис.34.

Плоские головки являются наиболее распространенным типом. Плоские головки камеры имеют различное конструктивное оформле­ние.- Иногда их выполняют трехстенной конструкции с отдельными полостями для горючего и окислителя. Верхнее днище обычно имеет шаровидную форму, тогда как последние два днища — плоские, в которых монтируют форсунки. При этом: компонент топлива, используемый для охлаждения камеры, поступа­ет в нижнюю полость головки, образуемую плоскими днищами, откуда через форсунки впрыскивается в камеру сгорания. Второй компонент топлива пода­ется прямо в верхнюю полость головки, образуемую шарообразным верхним и плоским средним днищами, а из нее затем поступает в камеру сгорания через сквозные трубки, пересекающие плоские днища головки и заканчивающиеся форсунками. Все три днища головки камеры связаны между собой. Верхнее днище связывается со средним плоским днищем косынками различной формы, а для связи плоских днищ можно использовать точечные выштамповки или развальцовку корпуса форсунок. Так как число форсунок обычно бывает весь­ма большим (измеряется сотнями), то последний способ связи между собой оболочек практически оказывается также достаточно надежным.

Конструктивное оформление головки в основном зависит от вы­бранной формы камеры сгорания, ее диаметра, вида компонентов топлива, а также от того, какой компонент топлива используется для охлаждения камеры. Плоские головки применяются в камерах двигателей малых и средних тяг. Они наиболее удобны для цилиндрических камер сгорания благодаря конструктив­ной простоте и удобству расположения на них струйных и центробежных фор­сунок горючего и окислителя. Плоские головки в сочетании с цилиндрической камерой сгорания обеспечивают хорошую однородность поля скоростей и кон­центрацию компонентов топлива по поперечному сечению камеры.

 

 

 

Рис.34

Билет №4

1. Потери в соплах РД. Схемы сопел ЖРД.

2. Тяга в двигателе РД при наличии атмосферного давления (1.3).

 

Потери в соплах ракетных двигателей

 

Сопло — необходимый элемент всякого ракетного двигателя, в кото­ром тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в кинетическую энергию истекающей из сопла струи газов. Величина кинетической энергии в конечном итоге определяет главную характеристику двигателя — удельный импульс. Всякий реальный процесс преобразования энергии сопровождается некоторыми потерями. В данном случае потери снижают кинетическую энер­гию струи и, следовательно, удельный импульс.

Одна из задач организации рабочего процесса в соплах ракетных дви­гателей—снижение всякого рода потерь, максимальное приближение реально­го процесса истечения из сопла к идеальному. С другой стороны, сопло ракет­ного двигателя, особенно при современных больших степенях расширения газов в нем, представляет собой довольно громоздкую конструкцию и в общих габаритах и в массе двигателя занимает весьма заметную роль. Другая задача

- всяческое снижение необходимых габаритов сопла ракетного двигателя.

Таким образом, объединяя обе задачи, можно сказать, что при проек­тировании сопла ракетных двигателей основной целью является максимальное приближение процесса истечения к идеальному при минимальных габаритах сопла. Тогда сопло двигателя будет иметь минимальные потери при мини­мальной массе и габаритах.

В соплах реактивных двигателей потери с достаточной точностью можно разделить на следующие виды:

Потери трения. Этот вид потерь связан с трением газа о стенку. Нали­чие вязкого трения при течении газового потока вдоль стенки КС и сопла соз­дает силу, стремящуюся увлечь стенку в направлении потока, т. е. создает си­лу, противоположную тяге.

Газодинамические потери. Этот вид потерь связан с неравномерно­стью поля скорости по величине и направлению на срезе сопла. Дело в том, что, рассматривая характеристики идеального или теоретического двигателя, подразумеваем одномерное течение в сопле и, следовательно, параллельное оси сопла истечение с одинаковой скоростью по всему срезу сопла. В дейст­вительности течение в соплах пространственное, близкое к его разновидности

— осесимметричному потоку, с непараллельным и неравномерным истечени­ем. Это снижает тягу по сравнению с идеальным двигателем.

Термодинамические потери. К термодинамическим процессам, кото­рые могут оказать отрицательное влияние на тяговые свойства сопла, относят недовыделение теплоты в сопле, за счет некоторой степени неравновесности и потери теплоты за счет теплоотдачи в стенку или в систему охлаждения. Эти потери отклоняют реальный процесс от идеализированного, и поскольку в обоих случаях имеют место потери тепловой энергии при расширении, то это вызывает и соответствующие потери тяги в сопле.

Полные потери тяги в соплах. В общем случае суммарный коэффици­ент, отражающий все основные составляющие потери:

где (при «хорошо» спрофилированных и изготовленных соплах):

 

ф_тр= 0,990—0,975 — коэффициент, отражающий потери тяги из-за трения, зависит главным образом от степени расширения газов в сопле и шероховато­сти внутренней поверхности сопла;

ф_а = 0,990—0,985 — коэффициент, отражающий газодинамические потери. зависит главным образом от формы и особенностей профиля сопла;

ф_q = 0.990—0,995 — коэффициент, отражающий потери термодинамического характера, зависит главным образом от степени неадиабатичности процесса, степени расширения газов в сопле и рода топлива.

В итоге, учитывая приведенные выше значения отдельных составляющих, полный коэффициент сопла равен

= 0,975— 0,940, т. ё. потери тяги в соплах составляют от 2,5 до 6,0%, рис.39. Пунктирная кривая расширяет область в сторону его увеличения при применении сопел с полированной внутренней поверхностью.

 

 

 

Рис.39

 

Примерное значение полного коэффициента профилированного сопла в зависимости от степени расширения Рк/ Pa.

 

Схемы сопел ЖРД

Применяемые в ракетных двигателях сопла могут быть разделены на конические, профилированные, кольцевые или сопла с центральным телом.

Конические сопла. Это наиболее простая в техническом отношении схема сопла. Сверхзвуковая часть сопла выполняется в виде прямолинейного расходящегося конуса, а область критического сечения по дуге окружности. Несмотря на большие потери тяги по сравнению с профилированными, эти сопла во многих случаях используются в ракетных двигателях. Больше того, для двигателей, работающих при больших противодавлениях среды (подвод­ных) на режимах с отрывом потока в сопле, конические сопла оказываются более предпочтительными. С достаточной степенью точностью потери тяги на неравномерность поля скорости на срезе сопла или непараллельность истече­ния оцениваются соотношением:

т. е. определяются в основном непараллельностью истечения, 2 - угол ко­нусности сопла. Для безударности входа сопла область критического сечения рекомендуется выполнять по дуге радиуса R = (1— 0,75)d*. Если положить, что кроме потерь на неравномерность потока и трения других нет, то теоретический коэффициент сопла:

будет иметь экстремум при некотором угле конусности. Действительно, при увеличении угла конусности потери непараллельности растут, потери трения уменьшаются, рис.40.

Рис.40

Кривые зависимости от угла конусности 2 для ряда значений степени расширения газов в сопле.

 

По мере увеличения степени расширения газов, т. е. увеличения относитель­ной площади среза величина из-за роста потерь на трение уменьша­ется и её, экстремум сдвигается на большие углы конусности. Из графика следует, что оптимальные углы конусности при рк/ра=100—1000. Этим данным соответствует значение =0,978— 0,972.

 

Профилированные сопла. Профилированные сопла в настоящее время широко распространены. Контур сверхзвуковой части выполняется по специ­альной образующей, которая сначала резко отклоняется от оси сопла, а затем, достигнув максимального угла отклонения в точке перегиба, плавно выравни­вается к концу сопла.

Профилированные сопла обладают определенными преимуществами по сравнению с коническими:

а) при одинаковой длине будут иметь меньшие угол конусности на срезе
и потери на непараллельность;

б) при одинаковой конусности на срезе и соответственно одинаковых по­
терях на непараллельность будут значительно более короткими.

Построение криволинейного контура производится по специальным схемам, основанным на свойствах сверхзвукового потока.

Независимо от схемы построения контура профилированные сопла, так же как и конические, имеют при определенных условиях экстремальное значение коэффициента сопла Действительно, если считать что сопло име­ет только потери на трение и неравномерность потока, то теоретический ко­эффициент = ( будет иметь максимальное значение при опреде­ленной длине сопла). В самом деле, при данной схеме профилирования с уве­личением длины сопла уменьшается угол не параллельности на срезе и, сле­довательно, уменьшаются потери на неравномерность потока. С другой сто­роны, с увеличением длины сопла растут потери на трение. Отсюда произве­дение , так же как и при конических соплах, будет иметь где-то экс­тремум.

Оптимальные ( профилированных сопл лежат при углах конусности на срезе порядка , соответствующие Рк/Ра- =500-1000.

Кольцевые сопла. Одним из перспективных методов уменьшения га­баритов двигателя является использование вместо обычных круглых сопел Лаваля кольцевых или сопел с центральным телом. В этих схемах принцип разгона газового потока до сверхзвуковой скорости остается прежним— геометрическим: дозвуковой поток разгоняется до скорости звука в сужаю­щемся канале, а затем в расширяющемся канале достигает сверхзвуковой ско­рости. Разница между обычным и новым соплом состоит в том, что новая схе­ма сопла имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую или щелевую.

На рис.41 представлена схема сопла с простым кольцевым критиче­ским сечением. Контур этого сопла получается, если вращать контур обычно­го сопла Лаваля с осью х—х вокруг центральной оси 1-1.

Для образования кольцевой или щелевой формы критического сече­ния сопла, как видно из схемы, внутри сопла располагается тело вращения, называемое центральным телом.

 

Для сопла с центральным телом наиболее подходит торовая форма КС. В этом случае центральная часть КС и сопла (внутренняя полость цен­трального тела) оказывается свободной. В ней очень хорошо можно располо­жить турбонасосный агрегат, а также и все остальные агрегаты, обслуживаю­щие двигатель. В результате двигатель с новым соплом получается очень ком­пактным и коротким.

В качестве примера, подтверждающего сказанное, на рис.42,а приве­дены габариты двигателей ракеты «Сатурн-5» Ф-1, имеющего тягу Р = 7000 кН с обычным соплом на рис.42,6 — габариты двигателя ракеты «Сатурн-1В» Н-1 с тягой Р=900 кН, на рис.42,е — габариты двигателя Ф-1 с кольцевым (та­рельчатым) соплом.

Как видно, двигатель с кольцевым соплом оказывается в 100/40 что в 2,5 раза короче и равным по длине двигателю с тягой, почти в 8 раз меньшей. Отсюда соответственно уменьшаются габариты и всей ракеты, что в конечном итоге приводит к заметному выигрышу в массе. Причем в полости централь­ного тела размещаются все агрегаты двигателя вместе с ТНА. Кольцевые со­пла с центральным телом используются для двигателей большой тяги.

Рис.41

Схема простого кольцевого сопла:

Da-диаметр выходного сечения; n_кр- высота кольца критического сечения; Rкр- средний радиус кольцевой щели критического сечения

Рис.42

Билет №5

1. Мощностные параметры РД.

2. Требования, предъявляемые к распыливающему устройству ЖРД.

 

Мощностные параметры ракетных двигателей

 

1.Мощность реактивной струи, Вт.

 

2.Мощность первичного источника энергии, Вт.

где: - коэффициент полезного действия двигательной установки.

 

Требования, предъявляемые к распыливающему устройству ЖРД

 

Для эффективного сжигания жидкого топлива должно быть обеспечено его полное испарение в заданное время и в нужном месте камеры сгорания двигателя. Для этого в нужный момент вся масса топлива, подаваемая в камеру сгорания, должна иметь максимальную поверхность. Значительное увеличение поверхности компонента может быть получено распылением его на мельчайшие частицы. Поэтому распыливающее устройство ЖРД должно обеспечивать дробление жидких компонентов топлива, подаваемых в камеру сгорания под определенным давлением и в соответствующих количествах, на мельчайшие капли, быстрое и хорошее смешение их между собой. От того, насколько со­вершенно осуществляются эти процессы, в значительной мере зависят скорость и полнота сгорания образующейся топливной смеси, величина потребного объема камеры сгорания, ее размеры, удельный вес, устойчивость работы и другие характеристики. Чем совершеннее смесеобразование, тем экономичнее, устойчивее и надежнее работа двигателя.

Процесс распыла жидких компонентов топлива зависит от их физических свойств, типа и конструкции форсунок, режима их работы и других фак­тов.

Форсунки двигателя дробят компоненты топлива на миллиарды капель, имеющих поверхность, измеряемую десятками квадратных метров.

Если, например, 1 л жидкости до подачи в камеру сгорания имеет диа­метр около 0,124 м и поверхность -0,0483 м², то после дробления ее на капли диаметром 100 мк (10~4.м) суммарная поверхность жидкости увеличится почти в 1240 раз и будет составлять около 60 м².

Состояние теории смесеобразования и горения топлива в ЖРД в на­стоящее время не позволяет еще производить точные расчеты этих процессов. Поэтому при проектировании головок камеры двигателя приходится исходить из необходимости удовлетворения основных требований к смесеобразованию, используя при этом результаты исследований и опыт эксплуатации.

Распылительное устройство (головка камеры) ЖРД должно удовлетво­рять следующим требованиям.

1. Компоненты, топлива должны быть раздроблены на капли достаточно мелко и однородно, так как от тонкости распыла зависят качество смесеобразования, равномерность и скорость горения топлива.

В обычных схемах ЖРД тонкость распыла компонентов топлива зави­сит от типа, конструкции и производительности форсунок, их геометрических характеристик, перепада давлений на форсунках и других факторов.

Тонкость распыла компонентов топлива является качественным критерием смесеобразования и характеризуется средневесовым диаметром образующихся капель. Чем меньше средний диаметр капель, тем лучше распыл и эффективнее процесс сгорание топлива.

Однородность распыла характеризуется изменением диаметров капель в факеле распыленного компонента топлива. Чем уже пределы, между которыми располагаются диаметры капелек распыливаемых компонентов топлива тем больше однородность распыла.

В современных ЖРД распыленные капли компонентов топлива имеют диаметр около 25—250 мк. Это значит, что 1 cм³ распиливаемой жидкости де­лится примерно на 6-106 капель. В азотно-кислотных двигателях средние весо­вые диаметры, капель керосина лежат в диапазоне 120—150 мк.

Топливо, состоящее из наиболее крупных капель, будет запаздывать с завершением смесеобразования и, следовательно, с завершением процесса диффузионно-турбулентного сгорания. При слишком грубом распыле, что воз­можно в результате неправильного выполнения распиливающего устройства или регулирования тяги двигателя изменением перепада давления компонентов топлива, может получиться резкое снижение эффективности процесса сгорания и неустойчивая работа.

Однако, тонкость распыла компонентов топлива сама по себе не явля­ется единственным средством улучшения качества рабочего процесса в камере сгорания двигателя. Система смесеобразования должна обеспечивать не только тонкий распыл и хорошее перемешивание компонентов топлива, но и органи­зованный подвод тепла для их подогрева, испарения и воспламенения.

2. Концентрация распыливаемых, компонентов топлива по попе­речному сечению камеры сгорания должна быть одинаковой, так как в про­тивном случае сгорание их будет неполным.

В начале камеры сгорания обычно получается грубо перемешанная го­рючая смесь, которая при дальнейшем движении по камере сгорания продол­жает перемешиваться и становится более однородной. Параллельно с этим процессом идут подогрев и испарение распыленных компонентов и выгорание образующейся горючей смеси.

Время завершения процесса сгорания топлива определяется главным образом скоростью смешения компонентов топлива. При прочих равных усло­виях смешение будет протекать тем интенсивнее, чем мельче газовые струйки компонентов топлива и больше скорость их относительно друг друга. Полнота сгорания топлива в конечном итоге определится отношением времени пребы­вания рабочего тела в камере сгорания ко времени, потребному для завершения процесса сгорания топлива.

Местные отклонения коэффициента состава топлива в камере сгорания от расчетного всегда приводят к неполноте сгорания и, следовательно, к пони­жению удельной тяги двигателя.

Доказано, что начальная неравномерность состава компонентов топли­ва в пределах шага между форсунками быстро выравнивается без заметного снижения удельной тяги двигателя, а неравномерность состава топлива при ее масштабе больше шага форсунок обычно не успевает выравниваться и значи­тельно снижает удельный импульс.

Для защиты оболочки камеры двигателя от перегрева иногда горючую смесь вблизи поверхности оболочки преднамеренно обогащают специальной подачей через периферийные форсунки около 2—4% горючего от общего рас­хода его в камеру сгорания. При этом головка двигателя обеспечивает постоян­ство коэффициента избытка окислителя в центральной части камеры сгорания и заниженное значение его у поверхности оболочки камеры.

3. Расходонапряженность топлива по поперечному сечению камеры сгорания должна быть одинаковой, так как там, где расход топлива будет больше расчетного, процесс сгорания будет неполным, а в местах, где этот расход окажется меньше указанного, объем камеры сгорания будет использо­ван неполностью.

Равномерность расхода топлива по поперечному сечению камеры сго­рания является количественным критерием распыла компонентов топлива. Этот критерий влияет на выбор формы камеры двигателя.

4. Зона смесеобразования топлива по длине камеры сгорания должна быть возможно короткой, так как в противном случае потребуется относи­тельно больший объем камеры сгорания, что может увеличить ее габариты и удельный вес.

Зона распыла компонентов лежит вблизи головки камеры, определяет­ся типом и конструкцией форсунок и характеризуется расстоянием от головки камеры до места проникновения капель. Эта зона при обычных струйных фор­сунках имеет большую длину, чем при центробежных форсунках.

Форма факела обусловливается в основном конструкцией рас­пылительной головки камеры и дальнобойностью струи распыливаемых ком­понента топлива.

5. Суммарный факел распыла компонентов топлива относительно оси камеры сгорания должен быть симметричным, так как если факел горящего топлива будет бить о поверхность оболочки камеры и сгорать на ней, то возможны ее перегрев и прогар.

Струя окислителя не должна бить по поверхности оболочки камеры, так как это вызовет быстрый ее прогар вследствие окисления металла.

Форсунки нужно расположить на головке так, чтобы результирующее направление потока топлива после столкновения всех струй было параллельно оси камеры. Это требование особенно относится к струйным форсункам с пе­ресекающимися струями.

Задачей конструктора является распределить форсунки на головке камеры так, чтобы при равномерном распределении компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания не попадало много окислителя на стен­ки.

Уменьшения попадания компонентов топлива при распыле его фор­сунками на поверхность оболочки камеры можно добиться соответствующим направлением форсунок, изготовлением их со срезом под углом и т. п.

б. Перепад давлений компонентов топлива в форсунках должен быть оптимальным как по физической полноте сгорания топлива, так и по удель­ному весу системы топливоподачи двигателя.

При понижении перепада давлений распыливаемой жидкости в фор­сунках уменьшаются давление подачи топлива в камеру сгорания и, сле­довательно, мощность и вес системы топливоподачи, но при этом ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания топлива. При повышении же перепада давлений в форсунках происходит обратное.

Удовлетворение этого требования практически сопряжено с больши­ми трудностями, и поэтому при расчете ЖРД перепадом давлений компонентов топлива в форсунках обычно задаются на основании статистических данных.

7. Распы<